ABAQUS混凝土弥散开裂模型Standard模块.docx

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ABAQUS混凝土弥散开裂模型Standard模块

20.6.1混凝土弥散开裂模型

程序：

Abaqus/Standard  Abaqus/CAE

参考

1、“材料库：

概述”18.1.1章

2、“非弹性行为”20.1.1章

3、*混凝土

4、*拉伸硬化

5、*剪力传递

6、*破坏面比率

7、“定义混凝弥散开裂”in“定义塑性”Abaqus/CAEUser'sManual12.9.2章

概述

Abaqus/Standard中的混凝土弥散开裂模型：

1、为所有结构中的混凝土提供了普遍建模功能,包括梁，桁架，壳体和固体；

2、可以用于素混凝土，虽然其主要用于钢筋混凝土；

3、可以与钢筋（rebar）一起使用来模拟混凝土加筋；

4、被设计用于混凝土在低围压下的基本单调张拉应变的情况；

5、由各向同性硬化屈服面（压应力为主导时激活）和一个独立的“裂缝检测面”（由某点的破坏是否由于开裂导致所决定）组成。

6、用非各向同性的损伤弹性概念（弥散开裂）来描述开裂破坏后材料反应的可逆部分

7、要求使用线弹性材料模型来定义弹性性能；并不能和局部方向一起使用。

（see“Orientations,”Section2.2.5）.

Abaqus中可以使用的混凝土模型的讨论见“Inelasticbehavior,”Section20.1.1,

加筋

混凝土结构的增强材料以钢筋作为典型代表，它是单轴应变理论单元（杆件），它可以单独定义或者嵌入有方向的表面。

钢筋主要与塑性模型一起使用来描述钢筋材料的行为，并叠加在用来模拟混凝土的标准单元类型网格上。

使用这种建模方法，混凝土材料行为独立于钢筋材料。

钢筋/混凝土的接触面连结效应，如粘结滑移和销钉作用，是通过在混凝土模型中引入某种“拉伸硬化”来近似模拟裂缝处通过钢筋的荷载转移。

在复杂问题中定义钢筋会是冗长的，但钢筋的准确定义是非常重要的，因为在模型的关键位置缺少钢筋会引起分析失败。

See“Definingreinforcement,”Section2.2.3,formoreinformationregardingrebars.

开裂

此模型的本意是用于在相当低的围压下（小于混凝土单轴受压极限的4~5个量级）的相对单调荷载下的混凝土行为。

裂缝检测

开裂被认为是力学行为的最重要方面，它以开裂和开裂后行为为代表，并主导控制模型。

开裂被认为当应力达到被称为“裂纹探测面”的破坏面时出现。

这个破坏面是一个等效压应力p和Mises等效偏应力q之间的线性关系，如图20.6.1-5所示。

当检测到裂缝时，裂缝的方向被保存用于随后的分析。

由于开口裂缝的应力分量不被包含在用于检测新增裂缝破坏面的定义中，同一点的再次开裂被限制为垂直于原开裂方向。

裂缝是不能恢复的：

他们在分析的过程中一直存在（但是可以开口或闭合）。

任意一点只能产生不多于3条裂缝（在平面应力状态下为2条，单轴应力状态下为1条）。

检测到裂缝后，裂缝使用损伤弹性模型来影响计算。

非各向同性的损伤弹性材料的更多详细讨论见4.5.1节。

弥散裂缝

混凝土模型是弥散开裂模型，这意味着它不能模拟单独存在的“巨大”裂缝。

有限单元模型在每个积分点会各自进行基本计算。

通过裂缝影响积分点处的应力和材料刚度的方法，裂缝的存在作用进入了计算中。

拉伸硬化

贯穿裂缝直接张拉产生的后破坏行为使用拉伸硬化来模拟，它允许用户定义开裂混凝土的应变软化行为。

这一行为也可以被用于以简单的方法模拟混凝土和钢筋的相互作用效应。

混凝土弥散开裂模型中需要定义拉伸硬化。

用户可以依据后继破坏应力应变关系的方法或应用断裂能开裂准则来指定拉伸硬化。

破坏后的应力应变关系

钢筋混凝土的应变软化行为准则通常意味着指定贯穿裂缝的破坏后的应力应变函数。

当没有钢筋或者其数量很少时，这种准则往往引起分析结果的网格敏感性，这意味着当网格被细化后，由于网格细化会导致更窄的裂缝带，有限元预测不能收敛到唯一解。

这种问题特别发生在结构中仅有少数离散裂缝并且网格细化没有引起额外的裂缝的情况。

如果裂缝是均匀分布的（由于钢筋效应或由于稳定弹性材料的存在导致的，如板弯曲情况），网格敏感性则不值得关注。

在钢筋混凝土的实际计算中，网格通常是每个单元都包含钢筋。

钢筋和混凝土的相互作用有利于减小网格敏感性，只要在混凝土中提供合理的拉伸硬化参数来模拟这种相互作用（图20.6.1-1）。

图20.6.1-1“拉伸硬化”模型

必须估计拉伸硬化的影响；这依赖于钢筋密度、钢筋和混凝土的粘结、混凝土骨料对钢筋直径的相对大小、网格等因素。

对于在较细网格下的大量混凝土材料，当总应变10倍于破坏应变时，对于相当重的网格过细的钢筋混凝土模型，合理的起点被假定为破坏后应变软化使应力在破坏应变的10倍的范围内线性降低为0。

标准混凝土破坏时的应变为10–4量级，这意味着拉伸硬化使应力在总应变大约为10–3的时候降为0是合理的。

对特殊情况，必须校准这个参数。

Abaqus/Standard中拉伸硬化参数的选择是十分重要的，一般说来，越大的拉伸硬化越容易得到数值解。

太小的拉伸硬化将会导致混凝土局部裂缝破坏从而在模型的总体响应中引入临时性的不稳定行为。

少数实际设计中存在以上行为，因此分析模型中存在这类响应通常表明拉伸硬化取值不合理的较低。

Input File Usage:

Usebothofthefollowingoptions:

*CONCRETE

*TENSIONSTIFFENING,TYPE=STRAIN（default）

Abaqus/CAE Usage:

Propertymodule:

materialeditor:

Mechanical

Plasticity

ConcreteSmearedCracking:

Suboptions

TensionStiffening:

Type:

Strain

断裂能开裂准则

如之前所讨论的，当混凝土模型的重要部分没有钢筋的时候，定义拉伸硬化的应变软化方法可能在结果中引入不合理的网格敏感性。

Crisfield（1986）讨论了这一问题并且给出结论，

他认为Hillerborg（1976）的提议对许多实际问题足够精确。

Hillerborg用脆性断裂概念定义单位面积开裂产生裂缝所需的能量作为一个材料参数。

使用这种方法，混凝土的脆性行为以应力-位移响应为特性，而不是应力-应变响应。

受拉时混凝土试件会在某些截面出现贯穿裂缝。

当构件被充分张拉后，绝大多数应力消失（因此弹性应变很小），试件的长度主要由裂缝的开口大小决定。

开口的大小不依赖于试件的长度（图20.6.1-2）。

图20.6.1-2断裂能开裂模型

应用

在有限元模型中应用应力—位移相关的概念，需要定义与质点相关的特征长度。

裂缝特征长度是基于单元的几何特征和公式表述来确定的：

对于一阶单元，该长度是穿过一个单元的线段的典型长度，对于二阶单元是穿过单元线段的典型长度的1/2。

对于梁单元和桁架单元，该特征长度是单元轴向的特征长度，对于膜单元和壳单元则是参考面的特征长度（可以理解为膜或壳单元二维尺寸乘积的平方根），对于轴对称单元可以理解为r—z平面上的特征长度，对于粘聚单元可视为其组成厚度。

之所以通过这种方法定义裂缝特征长度，是因为裂缝产生方向无法预知。

然而，裂缝的产生方向对高宽比（二维尺寸比）较大的单元的力学行为有很大不同的影响，有些效应会因为网格敏感性而仍然存在，因此推荐最好尽可能地将单元划分为正方形网格。

这种模拟混凝土脆性响应的方法需要指定线性逼近失效后应变软化时应力为0的位移

（见图20.6.1-2）

失效应力

出现在失效应变（由破坏应力除以弹性模量来定义）处；然而，应力在最终位移

处降为0，这不依赖于试件长度。

这意味着只用当试件足够短，以至于失效应变

小于以下位移对应的应变值时，位移-荷载试件才可以在破坏后保持静力平衡。

其中，L是试件的长度。

Input File Usage:

Usebothofthefollowingoptions:

*CONCRETE

*TENSIONSTIFFENING,TYPE=DISPLACEMENT

Abaqus/CAE Usage:

Propertymodule:

materialeditor:

Mechanical

Plasticity

ConcreteSmearedCracking:

Suboptions

TensionStiffening:

Type:

Displacement

获取极限位移

极限位移

。

可以用单位面积断裂能

来评价，为

，其中

是混凝土能承受的最大拉伸应力。

的典型值是从普通混凝土的0.05mm（2×10–3 英寸）到高强混凝土的0.08mm（3×10–3 英寸）。

的典型值大约为10–4，因此要求

 mm（20 in）。

临界长度

如果试件长于临界长度L，当试件在固定的位移下开裂，相比于开裂过程消散的能量，更多的应变能将被储存在试件中。

所以，一些应变能必须转换成动能，甚至在指定位移荷载下产生动态破坏，这就意味着，在有限元中用此方法时，单元的特征尺寸必须小于临界长度，或者必须考虑额外（动态）的因素。

分析输入文件处理器检查使用这一混凝土模型的每一个单元的特征长度，且不允许任何单元的特征长度超过

。

用户必须用更小的单元重新划分网格或者用拉伸硬化的应力-应变定义。

由于断裂能方法通常仅用于素混凝土中，网格划分很少设置限制条件。

开裂剪力传递

当混凝土开裂时，它的剪切强度被削弱。

这种现象通过减小剪切模量来定义，它是贯穿裂缝的开口应变的函数。

用户还可以为闭合裂缝指定减小的剪切模量。

当通过裂缝的正应力变为压力时，这一减小后的剪切模量也会产生作用。

由于裂缝的存在，新的剪切刚度将会退化。

裂缝的剪切模量定义为

，其中G是未开裂混凝土的弹性剪切模量，

是乘法因子。

剪力传递模型假定当裂缝宽度增加时开口裂缝的剪切刚度线性降低到0：

其中

是通过裂缝的直接应变，

是一个用户指定值。

这个模型同时假定开裂后闭合的裂缝剪切模量也降低了：

这里用户指定

。

和

可以选择性的依赖温度或预定义场变量定义。

如果混凝土弥散开裂模型的材料定义中不包含剪力传递，Abaqus/Standard将自动使用剪力传递的默认值，这样剪力响应就不会受到开裂的影响（完全剪力传递）。

这一假定通常是合理的：

在很多情况下，结构的整体响应并不是非常依赖于剪力传递量。

Input File Usage:

Usebothofthefollowingoptions:

*CONCRETE

*SHEARRETENTION

Abaqus/CAE Usage:

Propertymodule:

materialeditor:

Mechanical

Plasticity

ConcreteSmearedCracking:

Suboptions

ShearRetention

压缩行为

当主应力分量中压应力占主导地位时，混凝土响应由弹塑性理论模拟，它采用依据等效压应力p和Mises等效偏应力q写成的一种简单的屈服面形式，其具体介绍见图20.6.1-5.采用了关联流动法则和各向强化法则。

这种模型显著简化了真实行为。

关联流动法则假定通常过度预测了非弹性体积应变。

由于忽略了第三应力不变量，屈服面不能和三轴受拉和受压试验数据准确吻合。

当混凝土的应变超过了极限应力点，假定弹性响应不受非弹性变形的影响是不现实的。

另外，混凝土在承受非常高的压应力时表现出非弹性响应：

而模型中没有试图考虑将这种行为